基于CFD分析的某發動機進氣歧管結構優化

龍彪，陳良，黃英銘，朱晨虹，占文鋒，邵發科

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

進氣歧管作為發動機進氣系統的關鍵零部件，具有將新鮮空氣分配到各個缸蓋進氣道的重要作用，其布置形式和流通結構對進氣阻力、進氣均勻性和缸內混合氣運動有著很大的影響，進而影響發動機的動力性、經濟性和排放特性[1-3]。隨著大眾對車輛舒適性的要求越來越高，整車對發動機的NVH(Noise Vibration Harshness)性能要求也越來越嚴格。設計合理的進氣歧管不僅具有較低的流動噪聲，還可以使發動機各缸輸出更加均勻，改善發動機乃至整車的NVH性能，因此，進氣歧管的設計已成為保證發動機動力性、經濟性、排放特性和NVH性能的關鍵技術之一。

進氣歧管的布置形式通常受發動機整機布置限制，因此，要使進氣歧管獲得良好的流通性能和進氣均勻性，其結構設計變得十分關鍵。目前常采用CAD/CFD相結合的設計方法，先利用CAD(Computer Aided Design)軟件建立進氣歧管三維模型，再通過CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件分析模型內部流動，進而對不合理的結構進行改進，以獲得進氣阻力低、流通性能好且進氣均勻性好的進氣歧管。該方法效率高，可有效縮短進氣歧管產品開發周期和降低產品開發費用[4-5]。

1 模型建立

1.1 實體模型

對于進氣歧管三維CFD分析，大量學者都只針對進氣歧管結構本身進行流動分析，很少考慮進氣歧管前節氣門對進氣歧管內部流動的影響和進氣歧管與缸蓋氣道相配合的效果。因此，文中將結合節氣門與缸蓋氣道對進氣歧管內部結構進行分析和設計優化。圖1為某發動機進氣歧管、節氣門和缸蓋氣道內腔三維數模，為了避免在模型的進出口邊界出現回流情況，在進出口處進行延伸。p1、p2、p3、p4分別表示節氣門前、進氣歧管入口、缸蓋氣道入口和缸蓋氣道出口截面總壓。計算過程中，當分析某一缸進氣流動時，其他3個缸蓋氣道可省略，以減少計算內存、縮短計算時間。

圖1 三維模型

1.2 網格劃分

在CAD軟件中將節氣門體、進氣歧管、缸蓋氣道進行裝配，而后提取內腔，利用CFD分析軟件提供的前處理工具對模型進行網格劃分，生成以六面體為主的混合網格。考慮到近壁面邊界層影響，對近壁面網格進行加密，邊界層采用3層網格。單個氣道模型的網格數約為53萬，主體網格尺寸為2 mm。

1.3 求解參數設置

計算工況采用額定工況，穩態計算，節氣門全開，流動為可壓縮黏性湍流流動，空氣采用理想氣體狀態方程，湍流模型選擇Realizableκ-εTwo-Layer模型，壁面函數采用Two-Layer ALL y+ Wall Treatment。殘差小于0.000 1，認為計算收斂。

1.4 邊界設置

進氣歧管穩態CFD計算有兩種評價方法：方法一為壓損及壓損差異性評價方法，進、出口分別采用壓力、質量流量邊界；方法二為質量流量和進氣不均勻度評價方法，進、出口都采用壓力邊界。兩種方法原理類似，追求較小的壓損就對應著較大的質量流量，但進、出口壓損變化較大時，流動區域內總的進氣壓力(進氣密度)和流速變化不大，所以質量流量變化不大。因此，相對來說，壓損對不同流通結構的差異性反映更為敏感，但質量流量能夠直觀地展示進氣量，更方便評價所設計的產品能否滿足實際需求。因此，在計算分析及設計優化過程中，先采用方法一優化結構取得較優的壓損，然后采用方法二進行驗證，綜合兩種評價結果確定最終數據并制作樣件，最后通過試驗進行確認。邊界根據一維仿真結果設置，具體如下：

入口邊界：滯止入口，設置總壓；

方法一出口邊界：質量流量出口，設置質量流量值；

方法二出口邊界：壓力出口，將用方法一計算所得出口壓力均值設置為出口壓力。

計算時一個支管出口打開，其他3個支管出口關閉(即設置為壁面邊界)，共計算4個工況。

1.5 評價指標

壓損差異性εp:

進氣不均勻度σmax[6]:

式中：pi和pm分別代表第i缸壓損和平均壓損；Qmax、Qmin和Qm分別代表各缸中的最大質量流量、最小質量流量和各缸平均質量流量。

2 計算結果分析

如前所述，先采用方法一對進氣歧管的結構流通性能進行分析，結果如圖2所示。2缸和3缸的總體壓損和歧管壓損都明顯高于1缸和4缸，進氣歧管壓損差異性比總體壓損差異性還大，說明壓損差異性主要是由于進氣歧管進氣不均勻造成的。歧管壓損差異性更大也表明，進氣歧管造成的進氣不均勻性還需要缸蓋氣道進行補償，說明進氣歧管的結構需要優化以改善與缸蓋氣道配合。

圖2 原始模型壓損及壓損差異性

從圖3(對稱結構展示1缸和2缸)所示總壓分布來看，造成進氣歧管壓損的部位主要在穩壓腔與歧管氣道入口連接處，這對于各缸來說都是一致的。

圖3 原始模型1缸和2缸表面總壓分布

圖4所示流線圖清晰地表明，由于歧管穩壓腔入口距離兩側歧管氣道入口較遠，且由于穩壓腔的圓弧結構對氣流起到了很好的引導作用，1缸和4缸氣流較為順暢。反觀2缸和3缸，由于受空間布置限制，歧管穩壓腔入口距離中間兩個歧管氣道入口距離很短，且由于節氣門的導流作用，穩壓腔沒有起到很好的穩流效果，氣流撞擊穩壓腔壁面產生了流動分離，在穩壓腔內形成了較大的渦流，增加了流動損失。這也是圖2中2缸和3缸壓損明顯比1缸和4缸壓損大很多的原因。

圖4 原始模型1缸和2缸流線分布

3 結構優化及結果分析

根據仿真結果分析，對進氣歧管結構進行優化，優化方向為在保證1缸和4缸壓損不增加的前提下降低2缸和3缸的壓損。如圖5所示，歧管氣道采用變截面結構，增大歧管氣道入口與穩壓腔的流動截面積，并在穩壓腔內1缸與2缸氣道之間以及3缸與4缸氣道之間增加導流板。

圖5 優化前后進氣歧管結構對比

優化后計算結果如圖6所示，優化后總體壓損差異性大幅降低，這主要得益于歧管壓損差異性大幅降低，且歧管壓損差異性和總體壓損差異性相近，說明改進后的進氣歧管結構與缸蓋氣道配合合理。優化后1缸和4缸總體壓損和歧管壓損沒有增加，2缸和3缸總體壓損和歧管壓損降低到與1缸和4缸相近，說明結構改進之后有效改善了中間兩缸的進氣流動，使整體進氣均勻性提高。優化前、后的結果表明，進氣歧管結構設計的好壞對其流通性能和進氣均勻性具有重要的影響。

圖6 優化前后壓損和壓損差異性對比

優化完成后，采用方法二對進氣歧管的流通性能進行驗證，結果表明優化后的進氣量和進氣不均勻度在合格范圍以內。采用優化后的方案制作樣件并開展試驗，氣道穩流試驗臺測得的進氣不均勻度比仿真結果高0.52%，偏差較小。這是由于樣件制作及裝配不可避免會產生偏差，但實際產品進氣不均勻度仍然在合格范圍內，這也驗證了仿真結果的準確性和有效性。此外，發動機外特性試驗結果表明，所設計的進氣歧管滿足發動機最大進氣量、最大功率和扭矩的要求。

4 結論

利用CAD/CFD相結合的手段對某發動機進氣歧管產品開發開展了結構設計和優化工作，結果表明：結構優化后的進氣歧管具有良好的進氣均勻性，滿足發動機最大進氣量、最大功率和扭矩的要求；進氣歧管的進氣均勻性對發動機整體進氣均勻性具有關鍵作用；進氣歧管空間布置受限的情況下，通過合理的結構設計也可以獲得較好的流通性能和進氣均勻性。

參考文獻:

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